CN103763226A - 混合时频域均衡的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光通信领域，公开了一种混合时频域均衡的方法。在可见光通信系统的信号接收端，对接收信号进行傅里叶变换FFT，得到频域信号，对所述频域信号进行频域后均衡post-FDE处理，得到频域均衡信号，对所述频域均衡信号进行傅里叶逆变换IFFT，得到时域信号，对所述时域信号进行时域均衡处理，得到混合时频域均衡信号。与现有技术相比，能以更少的序列和更少的滤波器阶数达到同样的通信质量。
Description
技术领域
本发明涉及光通信领域，特别涉及可见光通信领域中的混合时频域均衡的方法。
背景技术
白光光致发光二极管（LED）现在已经被广泛应用于照明，并且因其效率高、价格低及寿命长等优点，白光LED预计将逐渐取代现有的照明用光源，如白炽灯、日光灯等。白光LED还具有调制性能好、响应灵敏度高的优点，利用白光LED的这种特性，还可以将信号调制到LED所发出的可见光上进行传输。白光LED可以将照明与数据传输结合起来的特性，促进了一种新型的无线通信技术，即可见光通信(Visible Light Communication，VLC)技术的发展。
虽然VLC技术具有很多优点，但其发展也存在着一些限制因素，其中最主要的挑战在于白光LED有限的带宽，从而限制了传输速率和系统性能。在可见光通信中，基于正交频分复用（OFDM）技术的方案已经有了不少，这些方案在很好解决多径效应问题的同时,也兼顾了信号处理复杂度问题。但是,众所周知的是,OFDM三大弱点—高峰均比（PAPR）、抗放大器非线性能力差以及对载波频偏（CFO）和采样频偏（SFO）敏感成了OFDM与生俱来的痛疾。而与之相对的,单载波频域均衡（SC-FDE）则回避了以上缺点,这就使得SC-FDE在可见光通信中有了用武之地。目前，在可见光通信领域中没有人使用SC-FDE，将SC-FDE与时域均衡联合使用来提升可见光通信的通信质量，业内也还没有出现过。
发明内容
本发明的目的在于提供一种混合时频域均衡的方法，使得与单用频域均衡相比，能以更少的序列比特达到同样的效果，与单用时域均衡相比，能以更少的滤波器阶数达到同样的通信质量。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种混合时频域均衡的方法，包含以下步骤：
在可见光通信系统的信号接收端，对接收信号进行傅里叶变换FFT，得到频域信号；
对所述频域信号进行频域后均衡post-FDE处理，得到频域均衡信号；
对所述频域均衡信号进行傅里叶逆变换IFFT，得到时域信号；
对所述时域信号进行时域均衡处理，得到混合时频域均衡信号。
现有技术中，在光通信领域内，OFDM的应用已经比较广泛，但是OFDM有较大的峰均比，敏感的相位噪声和频率偏移成为限制OFDM发展的障碍，而频域均衡则不会有以上的缺点，为此，本发明在可见光通信的接收端应用频域均衡对接收到的信号进行频域后均衡处理，为了使通信质量更好，对频域后均衡处理之后得到的时域均衡信号再进行傅里叶逆变换IFFT，使时域均衡信号转变为时域信号，然后再对时域信号进行时域均衡处理，最后得到混合时频域均衡信号。该混合时频域均衡信号与单用频域均衡处理得到的均衡信号相比，能以更少的序列达到同样的效果，与单用时域均衡相比，能以更少的滤波器阶数达到同样的通信质量，而且该混合时频域均衡信号误码率性能更好，整体通信质量较好。
优选地，在所述将时域信号经过时域均衡处理，得到混合时频域均衡信号的步骤中，采用直接判决的最小均方算法DD-LMS自适应均衡器进行时域均衡。
最小均方算法(LMS)是用于减少输入信号和经过滤波的输出信号之间的不规则方波的算法，实现简单且对信号统计特性变化具有稳健性。
优选地，所述DD-LMS自适应均衡器的抽头数为33。
信号在传输过程中，传播信道的时延色散及多径等因素使得信号产生符号间干扰（ISI），传输差错概率升高，信号接收端采用信道均衡技术是克服ISI，减少差错率的有效方法，但是均衡器的计算量随着均衡器抽头数量的增加而呈线性增长，若采用自适应算法，则计算量呈二次方，三次方增长。因此，均衡器的抽头数量必须合理选取，太多则计算量过大，太少则消除ISI效果不理想。
优选地，所述在可见光通信系统的信号接收端，对接收信号进行傅里叶变换FFT，得到频域信号的步骤之前，还包含以下步骤：
将所述接收信号分解成同相I路信号和正交Q路信号；
对所述I路信号和Q路信号分别进行串并变换；
将所述经过串并变换的接收信号去除循环前缀；
在所述对接收信号进行傅里叶变换FFT的步骤中，对所述去除了循环前缀的接收信号进行FFT。
I、Q调制的主要优点是：既便于将两个独立信号分量组合成一个复合信号；相应地也可以将其复合信号分解为两个独立的部分。本发明中将接收信号分解成同相I路信号和正交Q路信号，便于后续对两个独立的信号进行串并变换并进一步去除循环前缀，为之后进行傅里叶逆变换做好准备。
优选地，在所述对时域信号进行时域均衡处理，得到混合时频域均衡信号的步骤之后，还包含以下步骤：
对所述混合时频域均衡信号进行正交幅度调制QAM反映射。
对处理后得到的混合时频域均衡信号进行正交幅度调制反映射，将上述混合时频域均衡信号反映射成最终的信号输出。
优选地，所述QAM为512种符号的QAM调制。
QAM调制有很多种，有4QAM、16QAM、32QAM、64QAM和512QAM等，本发明中优选512QAM调制，因为512QAM承载的比特是最多的，传输速率最高。
优选地，所述频域后均衡post-FDE为单载波频域均衡。
单载波频域均衡的优点是：峰均比较低，误差率性能好，用在本发明中更利于发明目的的实现。
优选地，所述在可见光通信系统的信号接收端，对接收信号进行傅里叶变换FFT，得到频域信号的步骤之前，还包含以下步骤：
将可见光经滤光片过滤后得到单色光；
将所述单色光经光电探测器把光信号变成电信号；
将所述电信号经电放大器放大；
将所述经电放大器放大的电信号经过低通滤波器后由实时示波器采集，得到所述接收信号。
将可见光过滤后得到独立传输的单色光，可以滤除其他波长信号干扰，可以提高信号的传输速率。
应用于照明的白光LED有两种，一种是蓝光激发黄色荧光粉的LED，另外一种是基于红绿蓝三原色的LED。由于红绿蓝三原色的LED可以独立传输三路信号，能够大大提高系统的传输速率，所以在本发明中优选采用红绿蓝三原色的LED。
附图说明
图1是根据本发明第一实施方式中混合时频域均衡的方法流程图；
图2是根据本发明第一实施方式中直接判决的最小均方算法自适应均衡器示意图；
图3是根据本发明第二实施方式中白光LED通信系统示意图；
图4是根据本发明第二实施方式中任意波形发生器中对信号的处理过程示意图；
图5是根据本发明第二实施方式中白光LED通信系统中离线处理过程示意图；
图6（a）是根据本发明第二实施方式中训练序列相同的情况下，有与没有直接判决的最小均方算法自适应均衡器的处理，红光信号的比特误差率性能与调制阶数的关系曲线图；
图6（b）是根据本发明第二实施方式中训练序列相同的情况下，有与没有直接判决的最小均方算法自适应均衡器的处理，绿光信号的比特误差率性能与调制阶数的关系曲线图；
图6（c）是根据本发明第二实施方式中训练序列相同的情况下，有与没有直接判决的最小均方算法自适应均衡器的处理，蓝光信号的比特误差率性能与调制阶数的关系曲线图；
图7（a）是根据本发明第二实施方式中在不同训练序列下，有与没有直接判决的最小均方算法自适应均衡器的处理，红光信号的比特误差率性能与调制阶数的关系曲线图；
图7（b）是根据本发明第二实施方式中在不同训练序列下，有与没有直接判决的最小均方算法自适应均衡器的处理，绿光信号的比特误差率性能与调制阶数的关系曲线图；
图7（c）是根据本发明第二实施方式中在不同训练序列下，有与没有直接判决的最小均方算法自适应均衡器的处理，蓝光信号的比特误差率性能与调制阶数的关系曲线图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。
本发明的第一实施方式涉及一种混合时频域均衡的方法。包含以下步骤：
在可见光通信系统的信号接收端，对接收信号进行傅里叶变换FFT，得到频域信号；
对频域信号进行频域后均衡post-FDE处理，得到频域均衡信号；
对频域均衡信号进行傅里叶逆变换IFFT，得到时域信号；
对时域信号进行时域均衡处理，得到混合时频域均衡信号。
具体流程如图1所示。
步骤101：对接收到的信号进行傅里叶变换，得到频域信号。
在可见光通信系统的信号接收端，对接收到的信号进行傅里叶变换（FFT），得到频域信号。
在接收端接收信号之前，需要将可见光经过滤光片过滤得到单色光，单色光再经光电探测器变成电信号之后通过电放大器放大，再经过低通滤波器后被实时示波器采集，得到能够被接收的电信号，然后将该电信号分解成同相I路信号和正交Q路信号，并对上述I路信号和Q路信号分别进行串并变换，然后将经过串并变换的接收信号去除循环前缀，再对去除了循环前缀的接收信号进行傅里叶变换（FFT），也就是步骤101，得到频域信号。
I、Q调制的主要优点是：既便于将两个独立信号分量组合成一个复合信号；相应地也可以将其复合信号分解为两个独立的部分。本发明中将接收信号分解成同相I路信号和正交Q路信号，便于后续对两个独立的信号进行串并变换并进一步去除循环前缀，为之后进行傅里叶逆变换做好准备。
接着步骤102：对频域信号进行频域后均衡处理，得到频域均衡信号。
此步骤中的频域后均衡处理（post-FDE）为单载波频域均衡，单载波频域均衡的优点是：峰均比较低，比特误差率（BER）性能好，应用在本发明中更利于发明目的的实现。
接着步骤103：对频域均衡信号进行傅里叶逆变换，得到时域信号。
因为单载波频域均衡的数据是时域数据，必须在信号发送前进行频域信号到时域信号的变换，本领域的技术人员可以理解，从频域信号到时域信号的转变是通过傅里叶逆变换IFFT来实现的。
接着步骤104：对时域信号进行时域均衡处理，得到混合时频域均衡信号。
值得一提的是，在对时域信号进行时域均衡处理之前，还需要对时域信号先进行并串变换，本领域中的技术人员可以理解，并串变换是现有成熟技术，此处不做赘述。
本实施方式中对时域信号进行的时域均衡处理中，采用直接判决的最小均方算法DD-LMS自适应均衡器进行时域均衡。最小均方算法(LMS)是用于减少输入信号和经过滤波的输出信号之间的不规则方波的算法，实现简单且对信号统计特性变化具有稳健性。如图2所示为本实施方式中使用到的DD-LMS自适应均衡器示意图。
如图2所示，经过DD-LMS自适应均衡器处理后的混合时频域均衡信号（图中编号22）y（k）=wH（k）X（k）。
其中，权值（图中编号25）w(k)=[w0(k)（图中编号25），w1(k)（图中编号26），w2(k)（图中编号27），...，wL(k)（图中编号28）]H；时域信号（图中编号21）X（k）=[x（k），x（k-1），x（k-2），...，x（k-L+1）]H；（·）H代表（·）的厄密矩阵；L为DD-LMS自适应均衡器的抽头数。
另外，从图2中可以看出，误差信号e（k）（图中编号24）和权值更新关系如下式：
e（k）=d（k）-y（k）；
w（k+1）=w（k）+μe*（k）X（k）。
其中，d（k）表示期望输出的信号（图中编号23），μ是步长，（·）*代表（·）的复共轭矩阵。
本领域的技术人员可以理解，上述DD-LMS自适应均衡器的工作原理是现有成熟技术，此处不做赘述。
在得到混合时频域均衡信号之后，还需要对混合时频域均衡信号进行正交幅度调制QAM反映射，对处理后得到的混合时频域均衡信号进行正交幅度调制反映射，将上述混合时频域均衡信号反映射成最终的信号输出。
至此，整个过程结束。
现有技术中，在光通信领域内，OFDM的应用已经比较广泛，但是OFDM较高的峰均比、敏感的相位噪声和频率偏移成为限制OFDM发展的障碍，而频域均衡（FDE）则不会有以上的缺点，为此，本发明在可见光通信的接收端应用频域均衡对接收到的信号进行频域后均衡处理，为了使通信质量更好，对频域后均衡处理之后得到的频域均衡信号再进行傅里叶逆变换IFFT，使频域均衡信号转变为时域信号，然后再对时域信号进行时域均衡处理，最后得到混合时频域均衡信号。该混合时频域均衡信号与单用频域均衡处理得到的均衡信号相比，能以更少的序列达到同样的效果，与单用时域均衡相比，能以更少的滤波器阶数达到同样的通信质量，而且该混合时频域均衡信号BER性能更好，整体通信质量较好。
本实施方式中各步骤的划分，只是为了描述清楚，实现时可以合并为一个步骤或者对某些步骤进行拆分，分解为多个步骤，只要包含相同的逻辑关系，都在本专利的保护范围内。
本发明的第二实施方式涉及一种混合时频域均衡的方法。第二实施方式为第一实施方式中的一个具体实施例。应用于照明的白光LED有两种，一种是蓝光激发黄色荧光粉的LED，另外一种是基于红绿蓝三原色的LED，由于红绿蓝三原色的白光LED可以独立传输三路信号，可以大大提高系统的传输速率。所以在本实施方式中，优选的，以红绿蓝三原色的白光LED为例对混合时频域均衡的方法作具体的分析。
如图3所示为可见光通信系统的原理构架图。商用三基色光致发光二极管（RGB LED）产生光通量大约为6流明的白光，首先要用任意波形发生器（AWG）产生所需传输的电信号，该电信号先经过低通滤波器（LPF）去除额外的辐射，接着该电信号被电放大器（EA）放大，被直流偏置器（DC）偏置，然后再将偏置后的电信号调制到红光、绿光和蓝光三种LED芯片上（图中编号30、31和32），携带了电信号的红光信号、绿光信号和蓝光信号再依次经过自由空间传输、透镜（直径为50毫米，图中编号33）和红/绿/蓝光学滤波器（图中编号34、35和36）之后，经过光电探测器探测，然后被一个商用高速数字示波器(Tektronix MSO5104)采集，并发送做离线处理。在接收端，首先是红、绿和蓝三种光电探测器（图中编号37、38和39）把这三种光信号转变成电信号，然后电信号分别经过电放大器EA的放大后，再经过低通滤波器（LPF）后由实时示波器（OSC）采集，得到能够进行离线处理的电信号。本实施方式采用的是以红绿蓝三基色形成的白光，也可以采用蓝光激发荧光粉形成的白光或者其他任何波长的可见光。
上述在AWG中，采用了SC-FDE的方法对可见光进行波形调制，如4所示。SC-FDE与正交频分复用（OFDM）的原理相似，不同点在于傅里叶逆变换（IFFT）模块从发射端移到接收端。首先，如图4所示，二进制数据被映射到512QAM调制中，之后将训练序列（TSs）插入电信号，再经过频域预均衡（Pre-FDE）、添加循环前缀、并串变换、上采样和滤波，将该电信号分成I路信号和Q路信号，上述I路信号和Q路信号经调制后分别被加载到红光、绿光和蓝光LED芯片上。
接收端离线处理的过程如图5所示，经过信号同步之后，将接收到的信号分解成同相I路信号和正交Q路信号，并对上述I路信号和Q路信号分别进行串并变换，然后将经过串并变换的接收信号去除循环前缀，再对去除了循环前缀的接收信号进行傅里叶变换（FFT），得到频域信号之后，对频域信号进行频域后均衡（Post-FDE）处理，得到频域均衡信号，本实施方式中，Post-FDE采用的是迫零算法（ZF）。然后再对频域均衡信号进行傅里叶逆变换（IFFT），得到时域信号，接着对时域信号进行并串变换后，对时域信号进行时域均衡处理，本实施方式中时域均衡处理采用的是DD-LMS自适应均衡器进行的。最后再对时域均衡处理后得到的混合时频域均衡信号进行正交幅度调制QAM反映射，得到最终的信号。
值得一提的是，上述DD-LMS自适应均衡器的抽头数为33，因为信号在传输过程中，传播信道的时延色散及多径等因素使得信号产生符号间干扰（ISI），导致传输差错概率升高，信号接收端采用信道均衡技术是克服ISI，减少差错概率的有效方法，但是均衡器的计算量随着均衡器抽头数量的增加而呈线性增长，若采用自适应算法，则计算量呈二次方，三次方增长。因此，均衡器的抽头数量必须合理选取，太多则计算量过大，太少则消除ISI效果不理想。本实施方式中优选DD-LMS自适应均衡器的抽头数为33也是综合考虑后作出相对合理的选择。
另外，本实施方式中的QAM调制有很多种，有4QAM、16QAM、32QAM、64QAM和512QAM等，本实施方式中优选512QAM调制，因为512QAM承载的比特是最多的，传输速率最高。
图6（a）、6（b）和6（c）分别为在训练序列TSs均为4%、512QAM调制的前提下，有与没有经过DD-LMS自适应均衡器处理的红光、绿光和蓝光信号误差率（BER）性能与调制阶数关系曲线图。图中编号61、64和67分别为红光、绿光和蓝光在经过SC-FDE处理、没有经过DD-LMS自适应均衡器处理时，BER与调制阶数的关系折线；编号62、65和68分别为红光、绿光和蓝光在经过SC-FDE和DD-LMS自适应均衡器处理时，BER与调制阶数的关系折线。由图6（a）、6（b）和6（c）可知，经过SC-FDE处理后，再经过DD-LMS自适应均衡器处理的红光、绿光和蓝光信号的BER性能比只经过SC-FDE处理的BER性能分别提升了6.2分贝、5.8分贝和3.8分贝。另外，图6（a）、6（b）和6（c）中的虚线63、66和69均表示BER为3.8e-3。
图7（a）、7（b）和7（c）分别为在高阶调制格式条件下，有与没有经过DD-LMS自适应均衡器处理的红光、绿光和蓝光BER性能与调制阶数关系曲线图。图中编号71、75和79分别为红光、绿光和蓝光在TSs数目为4%、经过SC-FDE处理、没有经过DD-LMS自适应均衡器处理时，BER性能与调制阶数的关系；编号72、76和710分别为红光、绿光和蓝光在TSs数目为2%、经过SC-FDE处理、没有经过DD-LMS自适应均衡器处理时，BER性能与调制阶数的关系；编号73、77和711分别为红光、绿光和蓝光在TSs数目为2%、经过SC-FDE和DD-LMS自适应均衡器处理时，BER性能与调制阶数的关系；编号74、78和712均表示BER为3.8e-3。由图7（a）、7（b）和7（c）可以看出，有DD-LMS自适应均衡器处理时，即使TSs的数目减半，红光、绿光和蓝光信号BER性能也都分别可以有大约3分贝的改善，但是，在同等条件下，如果只是用SC-FDE，TSs数目在减少的同时，如果想保持BER性能不变，计算复杂度就会增加。
综上所述，本实施方式以实验数据说明了在红绿蓝三基色LED可见光通信系统中混合时频域均衡的方法，系统性能因混合时频域均衡而得到很大的提升。
不难发现，本实施方式为第一实施方式的具体实施例，第一实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一实施方式中。
本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。
Claims (9)
1.一种混合时频域均衡的方法，其特征在于，包含以下步骤：
在可见光通信系统的信号接收端，对接收信号进行傅里叶变换FFT，得到频域信号；
对所述频域信号进行频域后均衡post-FDE处理，得到频域均衡信号；
对所述频域均衡信号进行傅里叶逆变换IFFT，得到时域信号；
对所述时域信号进行时域均衡处理，得到混合时频域均衡信号。
2.根据权利要求1所述的混合时频域均衡的方法，其特征在于，在所述将时域信号经过时域均衡处理，得到混合时频域均衡信号的步骤中，采用直接判决的最小均方算法DD-LMS自适应均衡器进行时域均衡。
3.根据权利要求2所述的混合时频域均衡的方法，其特征在于，所述DD-LMS自适应均衡器的抽头数为33。
4.根据权利要求1所述的混合时频域均衡的方法，其特征在于，所述在可见光通信系统的信号接收端，对接收信号进行傅里叶变换FFT，得到频域信号的步骤之前，还包含以下步骤：
将所述接收信号分解成同相I路信号和正交Q路信号；
对所述I路信号和Q路信号分别进行串并变换；
将所述经过串并变换的接收信号去除循环前缀；
在所述对接收信号进行傅里叶变换FFT的步骤中，对所述去除了循环前缀的接收信号进行FFT。
5.根据权利要求1所述的混合时频域均衡的方法，其特征在于，在所述对频域均衡信号进行傅里叶逆变换IFFT，得到时域信号的步骤之后，在所述对时域信号进行时域均衡处理，得到混合时频域均衡信号的步骤之前，还包含以下步骤：
对所述时域信号进行并串变换；
在所述对时域信号进行时域均衡处理，得到混合时频域均衡信号的步骤中，对所述进行了并串变换后的时域信号进行时域均衡。
6.根据权利要求1所述的混合时频域均衡的方法，其特征在于，在所述对时域信号进行时域均衡处理，得到混合时频域均衡信号的步骤之后，还包含以下步骤：
对所述混合时频域均衡信号进行正交幅度调制QAM反映射。
7.根据权利要求6所述的混合时频域均衡的方法，其特征在于，所述QAM为512QAM。
8.根据权利要求1所述的混合时频域均衡的方法，其特征在于，所述频域后均衡post-FDE为单载波频域均衡。
9.根据权利要求1所述的混合时频域均衡的方法，其特征在于，所述在可见光通信系统的信号接收端，对接收信号进行傅里叶变换FFT，得到频域信号的步骤之前，还包含以下步骤：
将可见光经滤光片过滤后得到单色光；
将所述单色光经光电探测器把光信号变成电信号；
将所述电信号经电放大器放大；
将所述经电放大器放大的电信号经过低通滤波器后由实时示波器采集，得到所述接收信号。
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